Platformăde e-learning și curriculăe-content pentru...

Platformă de e-learning și curriculă e-content pentru învățământul superior tehnic

1SO2 – Sisteme de Operare 2

� Sisteme de Operare 2

1. Introducere

2


SO – Sisteme de operare. Roluri si descriere generala 222

Introducere

�Prezentarea generală a cursului

�The kernel world

�Arhitectura Linux

SO2 – Sisteme de Operare 2

3



Where do we stand?

application programming (EGC, SPG, PP, SPRC, IOC, etc.)

system programming (PC, SO, PT)

kernel programming (PSO)

kernel space

user space


4



Obiectivele cursului

�Prezentarea structurii interne a unui sistem de operare

�Target: sisteme de operare de uz general

�Structura și componentele unui kernel monolitic

•Procese, FS, Networking

•Memory management

�Exemplificare pe Linux


5



Bibliografie curs

�Linux Kernel Development, 2nd edition, Robert Love, Novel Press 2005

�Windows Internals 4th edition, David A. Solomon & Mark E. Russinovich, Microsoft Press 2005

�Understanding the Linux Kernel, 3rd edition, Daniel P. Bovet & Marco Cesati, O'Reilly 2005

�Linux Networking Architecture, Klaus Wehrle, Frank Pahlke, Hartmut Ritter, Daniel Muller, Marc Bechler, Prentice Hall 2004

�Understanding Linux Network Internals, Christian Benvenuti, O'Reilly 2005


6



Bibliografie

�UTLK: capitolul 1

�LKD: capitolul 1


7



�Aplicații

�Sistem de operare

•Shell, utilitare de bază

•Kernel

Arhitectura unui sistem de operare


8



User vs Kernel

�Module de execuție

•Kernel mode

•User mode

�Protecția la memorie

•Kernel-space

•User-space

Kernel Space

User Space

3GB


9



Contexte de execuţie

�Context proces

•Cod ce rulează în user-space

•Cod ce rulează în kernel-space în urma unui apel de sistem efectuat de un anumite proces

�Context întrerupere

•Codul rulează ca urmare a apariției unei întreruperi

•Întotdeauna rulează în kernel space


10



Monolitic vs microkernel

MemoryServer

ClientApp

Network Server

ProcessServer

FileServer

DisplayServer

Microkernel

Hardware

request

reply

User Mode

Kernel Mode

App App

System services

Hardware

OS procedures

User Mode

Kernel Mode


11



Monolitic vs microkernel (2)

�Linux

�Unix

�Windows

�Mac OS X

• Minix 3.0• QNX


12



Pot fi kernelele monolitice modulare?

�Componente selectate la compilare

�Module kernel – încărcare dinamică

�Stratificarea (logică) a codului

�Interfața dintre straturi este hard coupled: macro-uri, funcții inline, pointeri la funcții

•Performanțe foarte bune

•Nu există protecție


13



Nuclee hibride?

� Many operating systems and kernel experts have dismissed the label as meaningless, and just marketing: Linus Torvalds said of this issue:

� "As to the whole 'hybrid kernel' thing - it's just marketing. It's 'oh, those microkernels had good PR, how can we try to get good PR for our working kernel? Oh, I know, let's use a cool name and try to imply that it has all the PR advantages that that other system has'."


14



Spaţiu de adresă

�Spațiul de adresă fizic

•RAM-ul + periferice

�Spațiu de adresă (virtual)

•Modul în care procesorul vede memoria: o zonă continuă de memorie de 4GB (32biti)

•Spațiul de adresă al unui proces

–Modul în care un proces vede memoria

•Spațiul de adresă kernel

–Zona din spațiul de adresă care este rezervat kernelului sau

–Spațiul de adresă dedicat kernelului


15



Multi tasking/programming/processing

�Sisteme de operare ce permit execuția simultană a mai multor procese

�Mod de implementare

•Cooperativ

•Preemptiv


16



Kernel preemptibil

�Un kernel este preemptibil dacă un proces poate fi preemptat chiar şi atunci când rulează în kernel.


17



Pageable kernel memory

�Memorie folosită exclusiv de kernel (cod, variabile globale, stivă, memorie alocată dinamic) care poate fi swap-ată.


18



Stiva kernel

�Fiecare proces are asociată o stivă kernel, folosită pentru a menține starea procesului pe durata execuție în kernel space

�Dimensiunea stivei este redusă (4KB – 12 KB)


19



Portabilitate

�Există cel puțin trei straturi în kernelele moderne:

•Cod dependent de arhitectură (C & ASM)

•Cod independent de arhitectură (C):

–core

–device drivere


20



SMP vs ASMP


21



Scalabilitate

�Modul în care cresc performanțele relativ la numărul de procesoare din sistem

�Fine grained vs Loose grained locking

�Algoritmi lock free

�Complexitatea algoritmilor


22



Modelul de dezvoltare Linux

�Open source

•Companii (RedHat, Novell, SGI, IBM, Intel, Oracle, MontaVista, Qumranet, Nokia, HP, Google, etc.) (concurente) lucrează împreună

�Vechiul model

•Versiuni stabile = pare: 1.0, 1.2, 2.0, 2.2, 2.4, 2.6

•Versiuni de dezvoltare = impare: 0.x, 2.1, 2.3, 2.5

•Ciclul de dezvolatare: 2 – 3 ani

�Noul model:

•Fiecare versiune 2.6 este stabilă,

•Ciclul de dezvoltare: 3 – 4 luni

•Merge window de 2 săptămâni


23



„Git trees”

�Oficial: Linus Torvalds

•git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git

�Andrew Morton: -mm

�Fiecare subsistem important este menținut de o anumită persoana şi a are un arbore separat

•Networking: David Miller, „net-2.6”

�„linux-next”, Stephen Rothwell -primeşte feature-uri în afara merge window-ului

•Majoritatea subsistemelor mențin arborii lor pentru -next (e.g. net-next-2.6 pentru networking)

�Fiecare distribuție îşi menține propriul tree


24



Organizarea surselor


25



Arhitectura Linux

Userapplications

Userapplications

libc

Core kernel Device drivers

Architecture dependent code

User

Mode

Kernel

Mode


26



arch

�Cod dependent de arhitectură

�Fiecare arhitectură poate conține mai multe sub-arhitecturi

�Linux este unul dintre cele mai portate kernele:

•“Linux was first developed for 32-bit x86-based PCs (386 or higher). These days it also runs on (at least) the Compaq Alpha AXP, Sun SPARC and UltraSPARC, Motorola 68000, PowerPC, PowerPC64, ARM, Hitachi SuperH, IBM S/390, MIPS, HP PA-RISC, Intel IA-64, DEC VAX, AMD x86-64 and CRIS architectures.”


27



arch (2)

�Interfațarea cu bootloader-ul, BIOS-ul

�Accesul hardware pentru: controlerele de întrerupere, controler SMP, controlere BUS-uri, setup trap-uri (handlere întreruperi, excepții, apeluri de sistem)

�Acces hardware pentru memoria virtuală

�Optimizări specifice arhitecturii pentru funcții de lucru pe şiruri, copieri, etc.


28



Device drivere

�Unified device model

�Reduce duplicarea codului

�Posibilitatea enumerării device-urile

�Crearea unui arbore de dependență

�Legături între drivere şi device-uri


29



Device drivere (2)

�Modularitate, multe clase ce oferă infrastructură pentru clase specifice de device drivere

•Character device drivers: TTY device drivers, serial device drivere

•Block device drivers: SCI device drivers

•Filesysteme device drivers

•Network device drivers

•USB device drivers

•Frame buffer drivers

•3D acceleration device drivers

•KSM


30



Core kernel

�Process management

�Memory management

�Block I/O

�VFS – Virtual Filesystem Subsystem

�Stiva de rețea

�Securitate: LSM, SeLinux


31



Process management

�Domenii de execuție

�Scheduling

�Procesele și thread-urile sunt abstractizate în task-uri

•Task-urile conțin resurse

•Thread-urile = task-uri ce partajează aceleași resurse


32



Memory management

�Gestiunea memoriei fizice: alocarea memoriei fizice

�Gestiunea memoriei virtuale: paginare, swapping, demand paging, copy on write

�Servicii pentru user-space: spațiul de adresă proces, mmap(), brk(), memorie partajată

�Servicii pentru kernel-space: slab, vmalloc


33



Block I/O management

VFS

Device Mapper

Generic Block Layer

Block device driver

Block device driver

I/O scheduler


34



VFS

Block I/O layer

Inode cache Dentry cache Page cache

file Superblock

stat open read

inode

dentry

dentryfile

fileSuperbloc

k

file

Filesystemdriver

inode

Filesystemdriver


35



LSM

�Linux Security Modules

�Hook-uri pentru module de securitate

�Security Enhancened Linux - SELinux – proiect NSA, extinde modelul clasic de securitate UNIX

�AppArmor – proiect similar dezolvatat de Novell, bazat pe LSM


36



Security Enhanced Linux


37



Stiva de reţea

Berkely Socket Interface

Network device drivers

Queing discipline

Data link layer

Transport layer

TCP UDP

Network layer

IP NetFilter

BRIDGINGARPETH

Routing


38



Fișiere sistem de bază

�vmlinux – imaginea kernelului obținută după compilare

�Vmlinuz – imaginea de kernel compresată şi stripuită; este încărcată şi executată de către bootloader

�Initrd – Initial Ram Disk – conține driverele necesare montării sistemului de fişiere root (compilate ca module)


39



Procese sistem

�swapper

•PID 0

•Contorizează timpul nefolosit (idle)

�init

•PID 1

•În contextul acestui proces rulează kernel thread-urile

–Primul proces rulat de kernel; rulează scripturile de inițializare a sistemului /etc/rc.d/, gestionează nivelele de rulare

–Nu poate fi terminat

–Înfiază procesele orfane


40



Kernel thread-uri

�migration

�ksoftirqd

�watchdog

�events

�khelper

�kblockd

�pdflush

• kswapd• aio• kjournald• kondemand• ...


41



Întrebări

� ?


Platformăde e-learning și curriculăe-content pentru...

Documents

Transcript of Platformăde e-learning și curriculăe-content pentru...